李成新, 趙鑫, 曾永鋼

（中國人民解放軍91004部隊(duì)，遼寧大連 116031）

0 引言

導(dǎo)彈拖車是導(dǎo)彈儲(chǔ)存、測(cè)試、轉(zhuǎn)運(yùn)、打靶過程中的主要載體，如何保證導(dǎo)彈運(yùn)輸過程中的安全，防止出現(xiàn)刮碰事故，是值得深入研究的課題。本文設(shè)計(jì)了一種基于 STC12單片機(jī)的導(dǎo)彈拖車防碰撞系統(tǒng)，運(yùn)用單片機(jī)控制技術(shù)，超聲波測(cè)量技術(shù)，無線通訊技術(shù)，語音播報(bào)技術(shù)，電磁及液壓傳動(dòng)技術(shù)等，完成對(duì)導(dǎo)彈拖車周圍障礙物的實(shí)時(shí)測(cè)距，即時(shí)語音播報(bào)，距離超限報(bào)警，自動(dòng)剎車等功能。

1 防碰撞系統(tǒng)組成與工作原理

防碰撞系統(tǒng)由單片機(jī)控制子系統(tǒng)，超聲波測(cè)距子系統(tǒng)，無線通訊子系統(tǒng)，語音播報(bào)子系統(tǒng)，電磁及液壓剎車子系統(tǒng)組成。其中單片機(jī)控制子系統(tǒng)是防碰撞系統(tǒng)的核心，以 STC12單片機(jī)為CPU，主機(jī)和從機(jī)分別采用 48引腳STC12LE5A60S2和40引腳STC12C5A60S2芯片，兩款芯片主要區(qū)別在于供電電壓分別為3.3V和5 V，主機(jī)選用3.3 V供電電壓芯片是因?yàn)?寸TFT觸摸屏要求單片機(jī)引腳電壓<3.3 V，從機(jī)I/O口采用5 V供電電壓，通過串行接口向超聲波傳感器發(fā)送測(cè)距命令。防碰撞系統(tǒng)主從機(jī)軟件基于Keil uV4集成編譯環(huán)境，選擇C語言編寫[1]。

系統(tǒng)工作時(shí)，從機(jī)首先通過超聲波測(cè)距子系統(tǒng)采集導(dǎo)彈拖車不同部位的距離信號(hào)，經(jīng)由無線通訊子系統(tǒng)發(fā)送至主機(jī)，主機(jī)根據(jù)接收到的距離值判斷是否啟動(dòng)語音播報(bào)子系統(tǒng)進(jìn)行語音播報(bào)、距離超限報(bào)警，是否啟動(dòng)剎車子系統(tǒng)執(zhí)行剎車操作。防碰撞系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

2 主從機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

主從機(jī)硬件均采用 STC12系列單片機(jī)作為CPU，主機(jī)硬件主要完成無線數(shù)據(jù)接收，液晶顯示，驅(qū)動(dòng)語音播報(bào)，驅(qū)動(dòng)電磁及液壓制動(dòng)等功能。從機(jī)硬件主要完成超聲波測(cè)距，無線數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。

2.1 STC12單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制電路原理[1]如圖2所示。2.2 無線通訊電路設(shè)計(jì)

無線通訊芯片采用2.4 GHz世界通用ISM頻段的單片高速（2 Mbps）無線收發(fā)模塊nRF24L01[2,3]，其內(nèi)部電路包括頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器等，外部接口包括ANT天線接口、SPI接口等，輸出功率、頻道、協(xié)議等參數(shù)通過SPI接口設(shè)置。防碰撞系統(tǒng)無線通訊電路原理如圖3所示。

2.3 語音播報(bào)電路設(shè)計(jì)

語音播報(bào)和蜂鳴器報(bào)警采用 WT588D-20SS做為核心控制電路[4,5]，外圍電路包括SPI-FLASH、震蕩電路、復(fù)位電路等。語音播報(bào)電路如圖4所示。

2.4 超聲波測(cè)距電路設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)距電路[6,7]采用兩線收發(fā)一體防水型超聲波傳感器，數(shù)據(jù)處理采用STC12C5608AD單片機(jī)，具有軟件測(cè)距校正，串口、IO口、脈沖三種不同數(shù)據(jù)輸出接口，由單片機(jī) P3.5輸出 40 kHz方波給超聲波電路，同時(shí)單片機(jī)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，超聲波返回信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放NE5532放大后輸入單片機(jī)P3.3，單片機(jī)定時(shí)器停止計(jì)時(shí)，所得時(shí)間即為超聲波往返于發(fā)射點(diǎn)與障礙物之間的時(shí)間（t），距離（S）計(jì)算公式：

式中：ν為聲速，它和空氣的溫度有關(guān)，溫度每升高l °C聲速增加0.6 m/s，聲速ν的計(jì)算公式為：

式中：ν= 331.45m/s，T為絕對(duì)溫度。

3 電磁及液壓剎車子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

防碰撞系統(tǒng)通過驅(qū)動(dòng)剎車子系統(tǒng)完成自動(dòng)剎車功能[8]，其制動(dòng)原理是，當(dāng)超聲波測(cè)距達(dá)到剎車臨界點(diǎn)時(shí)，由單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電磁鐵[9]迅速推動(dòng)液壓連桿，由連桿推動(dòng)活塞擠壓油路，迫使剎車片與剎車盤產(chǎn)生巨大摩擦力，完成拖車制動(dòng)。電磁及液壓剎車原理[10]如圖5所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要完成超聲波測(cè)距計(jì)算、多機(jī)無線通訊數(shù)據(jù)傳輸、LCD數(shù)據(jù)顯示、語音報(bào)警和自動(dòng)剎車的控制等功能。系統(tǒng)流程圖[1]如圖6所示。

4.2 多機(jī)無線通訊軟件設(shè)計(jì)

nRF24L01芯片工作在增強(qiáng)型SchockBurstTM模式，可實(shí)現(xiàn)1對(duì)6多機(jī)通訊，主機(jī)配置為接收模式，從機(jī)配置為發(fā)送模式。主從機(jī)都使用相同的頻道，從機(jī)使用0到5不同的數(shù)據(jù)通道，每個(gè)數(shù)據(jù)通道擁有自己的地址，通過寄存器 EN_RXADDR來設(shè)置，主機(jī)一般使用 0通道。主機(jī)在確認(rèn)收到數(shù)據(jù)后記錄地址，并以此地址為目標(biāo)地址發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，數(shù)據(jù)通道0被用做接收應(yīng)答信號(hào)，因此數(shù)據(jù)通道0的接收地址要與發(fā)送端地址相同。增強(qiáng)型SchockBurstTM模式下的數(shù)據(jù)包描述為：1位前導(dǎo)碼 + 3-5字節(jié)地址 +9位標(biāo)志位 + 1-32字節(jié)數(shù)據(jù) + 0/1/2字節(jié)CRC校驗(yàn)碼。其中前導(dǎo)碼用來檢測(cè)0和1，只在發(fā)送模式下加入。

4.3 LCD顯示軟件設(shè)計(jì)

LCD使用5寸TFT觸摸屏，防碰撞系統(tǒng)主界面在初始化時(shí)調(diào)用一次，實(shí)時(shí)測(cè)距值則在主函數(shù)中循環(huán)調(diào)用[1]。數(shù)字和漢字顯示均采用字模提取軟件提取，提取時(shí)采用字節(jié)倒序得到十六進(jìn)制字模數(shù)組，字體對(duì)應(yīng)點(diǎn)陣不超過 48×48，以字符串格式打印在屏幕上。

5 結(jié)論

導(dǎo)彈拖車防碰撞系統(tǒng)以超聲波測(cè)距為依據(jù)，通過無線通訊傳送數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)控制顯示、報(bào)警、自動(dòng)剎車，具有測(cè)量精度高，安裝簡便，控制精確，實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。項(xiàng)目來源于實(shí)際操作，并且在部隊(duì)導(dǎo)彈轉(zhuǎn)運(yùn)等場合作了實(shí)際檢驗(yàn)，軍事和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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